JP4594642B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、燃料供給板および酸化剤供給板より選ばれる少なくとも一方が、複数の反応室からなり、各反応室が、燃料または酸化剤を含む流体を移送するためのポンプを有する燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電気エネルギーを発生する。燃料電池は、アノード、前記アノードに燃料を供給する燃料供給板、カソード、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給板、および前記アノードと前記カソードとの間に介在する電解質からなる。アノードとカソードとの間に介在する電解質としては、高分子電解質が主流である。なかでもパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質が注目されている。

図１に一般的な燃料電池の要部の構造を示す。電解質１１を挟持するアノードおよびカソードは、一般に拡散電極１４からなる。拡散電極１４は、電解質と接する触媒反応層１２と、これを担持する拡散層１３からなる。触媒反応層１２は、貴金属触媒を担持した炭素粉末を主成分とする。拡散層１３には、通気性と導電性を兼ね備えた基材、例えばカーボンペーパ等が用いられる。電解質１１とこれを挟持するアノードおよびカソードとの組み合わせをＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質膜−電極−接合体）１５と呼ぶ。

拡散電極１４の外側には、拡散電極１４に燃料または酸化剤を供給する流体供給板１７が配される。流体供給板１７の拡散電極１４との対向面には、燃料または酸化剤の流路１６が設けられている。アノード側の流体供給板１７（燃料供給板）の流路１６には、燃料として、水素等のガスやアルコール等の液体が導入される。カソード側の流体供給板１７（酸化剤供給板）の流路１６には、通常、酸化剤として、空気、酸素等のガスが導入される。

高い起電力を取り出す場合には、図１に示されるような電解質１１、拡散電極１４および流体供給板１７からなる単セルが、直列に複数個積層される。流体供給板１７は、通常、導電性材料で構成されており、流体供給板１７を介して、電流が外部に取り出される。

近年、携帯電子機器の電源として、小型の燃料電池を利用することが検討されている。小型の燃料電池としては、直接メタノール型燃料電池のように、液体燃料を用いる燃料電池が有望視されている。液体燃料を直接アノードへ供給する燃料電池は、燃料を改質する工程が不要であることから、容積が軽減され、携帯電子機器の電源として好適である（特許文献１、２参照）。

特表平１０−５０７５７２号公報 特開２００２−２０８４１９号公報

従来、燃料電池の流体供給板には、外部ポンプを用いて燃料または酸化剤を含む流体を供給している。しかし、拡散電極に過剰の燃料が供給されると、燃料がアノードで消費されずにカソードへ移動したり、酸化剤がカソードで消費されずにアノードへ移動したりする。このような現象をクロスリークという。この問題を低減するには、燃料を溶媒で薄めたり、流体供給板が具備する流体の流路形状を高度に制御したりする必要がある。

しかし、溶媒で薄められた低濃度の燃料溶液を、流体供給板の流路に循環させるとき、流路の入口から出口に向かって、燃料溶液の濃度に勾配が生じる。そのため、出口付近で安定な発電を維持することが困難になる。

また、流路形状をサーペンタイン状にしたり、流路内における流体の流れる方向をリブで制御したりすることも提案されているが、流路形状を複雑化すると、流体を移送するための圧力損失が大きくなる。圧力損失が大きくなると、ポンプが大型化したり、燃料電池からの流体漏れが生じたりする。さらに、流路形状を制御しても、拡散電極の全面に、均一に、燃料または酸化剤を供給することは困難である。

本発明は、アノード、前記アノードに燃料を含む流体を供給する燃料供給板、カソード、前記カソードに酸化剤を含む流体を供給する酸化剤供給板、および前記アノードと前記カソードとの間に介在する電解質からなる燃料電池であって、前記燃料供給板および前記酸化剤供給板より選ばれる少なくとも一方が、複数の反応室からなり、各反応室は、燃料または酸化剤を含む流体を前記反応室に供給するための入口と、燃料または酸化剤を含む流体を前記反応室から排出するための出口とを有し、前記入口および前記出口が、それぞれ燃料もしくは酸化剤を含む流体を移送するためのポンプを有する燃料電池に関する。

前記複数の反応室は、どのように配列されていてもよいが、アノードと燃料供給板との界面またはカソードと酸化剤供給板との界面に沿って、均一に配列していることが好ましい。複数の反応室は、例えば、格子状、千鳥格子状またはハニカム状に配列されていることが好ましい。

前記複数の反応室は、それぞれ前記アノードまたは前記カソードと対向する開口を有する。燃料または酸化剤は、前記開口から、アノードまたはカソードへ供給される。各反応室は、前記開口面に対して垂直な側壁で囲まれており、前記開口側とは反対側で閉じた容器状であることが好ましい。

燃料電池の運転姿勢においては、燃料または酸化剤を含む流体を前記反応室に供給するための入口が、燃料または酸化剤を含む流体を前記反応室から排出するための出口よりも、鉛直方向における上部に位置することが好ましい。入口が出口よりも上部に位置することにより、燃料または酸化剤を含む流体の移送に重力を利用することが可能になり、ポンプの能力を比較的低く設定することが可能になる。また、重力を利用することで、流体の流通が安定化する。

前記入口は、例えば前記開口と対向する位置、すなわち容器状の反応室の閉じた底部に配されている。前記出口は、例えば前記側壁に配されている。前記入口は、前記側壁に配することもできるが、前記出口が配されている壁面とは異なる壁面に配することが望ましい。

前記燃料電池は、前記ポンプを制御するための制御部をさらに有することが好ましい。前記制御部は、燃料電池が具備する全てのポンプを、任意に制御し得るものであることが好ましい。前記制御部は、負荷の状況に応じて、前記全てのポンプを、個別に制御し得るものであることが好ましい。

本発明の一形態（形態Ａ）においては、燃料電池が、複数の反応室からなる燃料供給板を有し、各反応室は、燃料を含む流体を前記反応室に供給するための入口と、燃料を含む流体を前記反応室から排出するための出口とを有し、前記入口および前記出口が、それぞれ燃料を含む流体を移送するためのポンプを有する。

本発明においては、少なくとも燃料供給板が、上記Ａのような形態を有すれば十分な効果を得ることができるが、下記Ｂのような形態を有する酸化剤供給板を有してもよい。ただし、酸化剤を含む流体として空気を利用する場合、酸化剤供給板は、従来公知の構造である方が、燃料電池の小型・軽量化およびコスト面で有利である。

本発明の一形態（形態Ｂ）においては、燃料電池が、複数の反応室からなる酸化剤供給板を有し、各反応室は、酸化剤を含む流体を前記反応室に供給するための入口と、酸化剤を含む流体を前記反応室から排出するための出口とを有し、前記入口および前記出口が、それぞれ酸化剤を含む流体を移送するためのポンプを有する。

本発明によれば、複数の反応室に対応させて、拡散電極を複数の区画に区分して、各区画毎に燃料または酸化剤を含む流体の供給または排出を行うことができる。従って、反応室内の燃料濃度または酸化剤濃度や反応室内の圧力に関し、高精度の制御が可能となり、燃料電池の運転効率が向上する。入口と出口の両方が、それぞれポンプを有する場合には、反応室内の燃料濃度や反応室内の圧力に関し、更に高精度な制御が可能となる。

より具体的には、本発明によれば、例えば、以下の効果を得ることができる。
まず、燃料または酸化剤のクロスリークを抑制することが可能であり、燃料または酸化剤の利用率が高められる。また、拡散電極の全面に、均一に、燃料または酸化剤を供給することが可能である。また、負荷の状況に応じて発電モードの変更を行ったり、負荷変動に応じて発電を制御したりすることが可能である。

さらに、本発明によれば、各反応室が備えるポンプを個別に制御できることから、拡散電極の一部に不良がある場合でも、不良箇所と対向する反応室への燃料供給だけを停止することができる。従って、引き続きその燃料電池の運転を継続することができ、燃料電池の寿命等の信頼性も向上する。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図２〜７に、本実施形態に係る燃料電池１００の構造を示す。図３および図４は、それぞれ図１のI−I線断面図およびII−II線断面図である。図２では、右半分を図３および図４におけるIII−III線断面図として、燃料電池１００の内部構造を示す。図５は、燃料電池１００を燃料供給板１１０側から見た上面図である。

燃料電池１００は、アノード１０１、アノード１０１に燃料を含む流体を供給する燃料供給板１１０、カソード１０２、カソード１０２に酸化剤を含む流体を供給する酸化剤供給板１２０、およびアノード１０１とカソード１０２との間に介在する高分子電解質膜１０３からなる。高分子電解質膜１０３の周囲は、シール用のパッキン１２３で覆われており、パッキン１２３は、燃料や酸化剤を含む流体が燃料電池１００の内部からリークするのを防止している。

燃料供給板１１０は、２層構造になっており、アノード１０１と対面する側が、格子状に配列した複数の反応室１１２からなる第１層を形成する。第１層の外側の第２層には、燃料を含む流体を蓄える燃料槽１１４が、３列に区分された状態で形成されている。反応室１１２は、アノード１０１と対向する開口を有し、側壁１１３で囲まれた容器状である。第１層と第２層とを仕切る隔壁１１５が、容器状の反応室１１２の底部となる。

図６は、燃料槽１１４の配列状態を示すために、燃料供給板１１０の最外側の壁を除いた断面図である。また、図７は、反応室１１２の配列状態を示すために、第１層と第２層とを仕切る隔壁１１５を除いた断面図である。

燃料を含む流体は、燃料入口１１８から燃料供給板１１０の内部に導入され、燃料供給板１１０の一辺に沿って形成された燃料流通溝１１６を通って、燃料槽１１４へ達する。燃料槽１１４内に蓄えられている燃料を含む流体は、第１層と第２層とを仕切る隔壁１１５に設けられた供給ポンプ１１１によって、反応室１１２に導入される。供給ポンプ１１１は、反応室１１２毎に一つずつ設けられている。燃料を含む流体は、反応室１１２内で滞留する。反応室１１２は、アノード１０１と対向する開口を有するため、反応室１１２内で滞留している燃料の一部は、速やかにアノード１０１に達して消費される。

反応室１１２で一定期間滞留した燃料を含む流体は、反応室の側壁１１３に設けられている排出ポンプ１１７によって、反応室１１２に隣接する燃料排出溝１１９に送り出される。燃料排出溝１１９は、一辺を除いて３列の燃料槽１１４の周囲に沿って配置されている。全ての燃料排出溝１１９は、最終的に合流して、燃料出口１２１から外部へ排出される。

排出ポンプ１１７は、燃料を含む流体の反応室１１２からの排出を制御することを望む場合に設けられる。供給ポンプ１１１により、反応室１１２に燃料を含む流体が流入すると、反応室１１２内の圧力が上昇するため、排出ポンプ１１７を設けなくても燃料を含む流体の排出は可能である。この場合、排出ポンプ１１７の代わりに、燃料を含む液体の逆流を防止する弁を設けることもできる。ただし、反応室１１２内の燃料濃度等の細やかな制御を望む場合には、排出ポンプ１１７を設けることが好ましい。

反応室１１２からの燃料を含む流体の排出を促すために、燃料出口１２１よりも下流側に、流体を吸引する外部ポンプを設けることもできる。供給ポンプ１１１と外部ポンプとを任意に制御する場合にも、反応室１１２内の燃料濃度等を比較的細やかに制御することが可能である。

逆に、燃料供給板１１０に供給ポンプ１１１を設けず、排出ポンプ１１７だけを設けることもできる。排出ポンプ１１７により、反応室１１２から燃料を含む流体が排出されると、反応室１１２内の圧力が低下するため、供給ポンプ１１１を設けなくても燃料を含む流体を反応室１１２に供給可能である。この場合、供給ポンプ１１１の代わりに、燃料を含む液体の逆流を防止する弁を設けることもできる。ただし、反応室１１２内の燃料濃度等の細やかな制御を望む場合には、供給ポンプ１１１を設けることが好ましい。

酸化剤供給板１２０は、カソード１０２と対面する側に、酸化剤を含む流体を滞留させる流路１２２を有する。図示した酸化剤供給板１２０は、従来のものと同様の構造であるが、図２〜７に示した燃料供給板１１０と同様の構造を有する酸化剤供給板を用いることもできる。

上記のように、各反応室１１２が、専用の供給ポンプ１１１と排出ポンプ１１７とを有する場合、アノード上の位置による反応のバラツキが生じにくいため、燃料電池の運転状態が安定しやすい。また、各ポンプの制御を別個に行う場合には、各反応室１１２の状況に応じて、反応室毎に最適な燃料の供給状況を達成することが可能である。

供給ポンプ１１１と排出ポンプ１１７との反応室１１２内における位置関係は、特に限定されないが、流体の流動方向を考慮した場合、供給ポンプ１１１の方が排出ポンプ１１７よりも鉛直方向における上部に位置することが望ましい。また、供給ポンプ１１１と排出ポンプ１１７は、容器状の反応室１１２を囲む壁面のうち、それぞれ異なる壁面に設けることが望ましい。

供給ポンプ１１１および排出ポンプ１１７は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて作製される。ＭＥＭＳ技術とは、ＩＣ（集積回路）等の半導体の製造法を応用した微細加工技術をいい、米国ではＭＥＭＳ、欧州ではＭＳＴ（Micro System Technology）、日本ではマイクロマシン技術と総称される。ＭＥＭＳ技術によれば、微細構造を有する小型ポンプおよび小型の弁を作製可能である。

ＭＥＭＳ技術によるポンプの作製は、一般に、クリーンルーム内で、成膜、フォトリソグラフィ、エッチングなどの工程を繰り返すことにより行われる。例えば、フォトレジストと所定のパターンを有するマスクを用いて、シリコン製の小型ポンプを作製することができる。ＭＥＭＳ技術によれば、半導体基板上に、等間隔で配列する複数の小型ポンプを形成し、得られた半導体基板を第１層と第２層とを仕切る隔壁１１５として利用することもできる。また、半導体基板上に反応室１１２を囲む側壁１１３を形成することもできる。

半導体基板上にポンプを作製する場合、ポンプとポンプを制御する制御部とを電気的に接続する配線を、基板上に形成することが可能である。制御部は、ＩＣ、ＬＳＩなどの電子回路を利用して作製することができる。制御部は、燃料電池の内部に設けることもできるが、燃料電池を搭載する電子機器等に設けることもできる。

単セルからなる燃料電池の場合、例えば、燃料供給板１１０および酸化剤供給板１２０の任意の箇所にリードを接続し、そのリードを介して集電を行うことができる。燃料供給板１１０および酸化剤供給板１２０は、それぞれが導電性材料からなり、燃料供給板１１０はアノード１０１と導通しており、酸化剤供給板１２０はカソード１０２と導通している。また、高い電圧を得るために、単セルを複数個積層してスタックとして用いることもできる。スタックを集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ロッドで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。その場合、集電板を介して、集電が行われる。

次に、燃料電池１００の運転方法について説明する。ただし、以下に説明する運転方法は例示に過ぎず、運転方法はこれらに限られるものではない。

燃料電池１００は、燃料供給板１１０が上部に位置するように水平に設置して運転することが望ましい。そのように設置すれば、万一、燃料槽１１４内の燃料を含む流体量が減少し、燃料槽１１４内に空隙が生じた場合でも、供給ポンプ１１１には常に燃料を含む流体が供給されるからである。

第１の運転方法においては、供給ポンプ１１１および排出ポンプ１１７が常時一定量の流体を移送するように、供給ポンプ１１１および排出ポンプ１１７を駆動させる。このような運転方法によれば、燃料電池１００に、ほぼ一定の出力を継続させることができる。第１の運転方法における燃料電池の出力と、各反応室への流体供給量と、各反応室からの流体排出量と、運転時間との関係を図８に概念的なパターンで示す。

燃料電池１００によれば、複数の反応室１１２がそれぞれ供給ポンプ１１１と排出ポンプ１１７を有するため、反応室１１２間における燃料濃度や圧力のバラツキを高度に抑制可能である。従って、アノード１０１の全面に、常時均一に、燃料を供給することが可能であり、燃料電池１００の出力は極めて安定する。しかし、図８のようなパターンで燃料電池１００を運転する場合、燃料を含む流体が、常時、反応室１１２の出口から排出されるため、燃料利用率が比較的低くなる。第１の運転方法を実施する場合には、燃料を含む流体を循環させて再利用することが望ましい。

燃料利用率を高めるには、反応室１１２における燃料の滞留時間を長くする必要がある。反応室１１２における燃料の滞留時間を長くするには、供給ポンプ１１１および排出ポンプ１１７をパルス的に駆動するとともに、排出ポンプ１１７の駆動のインターバルを長くすることが有効である。

そこで、第２の運転方法においては、図９に示すように、燃料を含む流体の反応室１１２への供給と、燃料を含む流体の反応室１１２からの排出とを、同時のタイミングでパルス的に行う。図９のようなパターンは、排出ポンプ１１７の有無に関わらず、実施が可能である。供給ポンプ１１１が駆動しない期間は、燃料が反応室１１２中で滞留するため、滞留時間が長くなり、燃料利用率は高められる。しかし、燃料が供給されない期間中は、時間経過に伴って反応室１１２内の燃料濃度が減少を続けるため、最大出力と最小出力との差が比較的大きくなる。

第３の運転方法においては、図１０に示すように、反応室１１２への燃料を含む流体のパルス的な供給が停止した後、一定時間経過してから、燃料を含む流体の反応室１１２からのパルス的な排出を行う。そして、燃料を含む流体の反応室１１２からの排出が停止するとと同時に、次の燃料を含む流体の供給を行う。

図１０のようなパターンで燃料電池１００を運転する場合、排出ポンプ１１７の駆動のインターバルは、図９のパターンに比べて更に長くなる。また、燃料を含む流体の供給に対して、排出が送れているため、新鮮な流体の排出が抑制される。従って、反応室１１２中での燃料の滞留時間は更に長くなり、燃料利用率は高められる。そのかわり、燃料電池１００の出力変動は比較的大きくなる。

第４の運転方法においては、燃料電池の出力安定と、燃料利用率の向上とのバランスを得る観点から、図１１のようなパターンで、供給ポンプ１１１および排出ポンプ１１７を駆動する。すなわち、反応室１１２への燃料を含む流体のパルス的な供給に対して、燃料を含む流体の反応室１１２からのパルス的な排出を遅らせるとともに、供給と排出とをオーバーラップさせる。この場合、排出ポンプ１１７の駆動のインターバルが短くなるため、燃料利用率は減少するが、反応室１１２内の燃料濃度は常に高濃度に維持される。

図１１のようなパターンによれば、図８のようなパターンで燃料電池１００を運転する場合よりも、燃料利用率は高くなる一方、燃料電池の出力変動は、図９および図１０のようなパターンで燃料電池１００を運転する場合よりも、小さくなる。その結果、燃料利用率と出力とのバランスがとれた燃料電池の運転が可能となる。

上記のように、様々なパターンで燃料電池１００の運転を行うことができるため、負荷の状況に応じて、最も適した運転パターンを適宜選択することが可能である。

なお、燃料供給板１１０に排出ポンプ１１７を設ける代わりに、燃料出口１２１よりも下流側に流体を吸引する外部ポンプを設けても、上記第１〜第４の運転方法と同様のパターンの運転を実施することができる。その際、排出ポンプ１１７の代わりに、燃料を含む流体の逆流を防止する弁を設けてもよい。

燃料電池１００は、直接メタノール型燃料電池のような液体燃料を用いる燃料電池として好適であるが、水素のようなガス燃料を用いる燃料電池として用いることもできる。また、供給ポンプ１１１に噴射ノズルを設け、燃料槽１１４には燃料を含む流体として液体を蓄えて、液体を反応室１１２内に噴射するようにしてもよい。この場合、例えば噴射された流体が反応室１１２内に一定量以上蓄積したときに、排出ポンプ１１７で流体を反応室１１２から排出する。

以上のように、本発明によれば、複数の反応室内の燃料濃度または酸化剤濃度や複数の反応室内の圧力に関し、高精度の制御が可能となり、燃料電池の運転効率が向上する。本発明は、特に、直接メタノール型燃料電池のような液体燃料を用いる燃料電池において特に有効である。また、液体燃料を用いる燃料電池は、エネルギー密度が高いため、本発明の燃料電池は、携帯電子機器の電源等として好適である。

一般的な燃料電池の要部の断面図である。 右半分を断面にした状態の本発明に係る燃料電池の燃料供給板側から見た上面図である。 図１のI−I線断面図である。 図１のII−II線断面図である。 本発明に係る燃料電池の燃料供給板側から見た上面図である。 燃料供給板の最外側の壁を除いた状態の本発明に係る燃料電池の燃料供給板側から見た上面図である。 燃料供給板の第１層と第２層とを仕切る隔壁を除いた状態の本発明に係る燃料電池の燃料供給板側から見た上面図である。 本発明に係る燃料電池の第１の運転方法における、燃料電池の出力と、各反応室への流体供給量と、各反応室からの流体排出量と、運転時間との関係を概念的なパターンで示す図である。 本発明に係る燃料電池の第２の運転方法における、燃料電池の出力と、各反応室への流体供給量と、各反応室からの流体排出量と、運転時間との関係を概念的なパターンで示す図である。 本発明に係る燃料電池の第３の運転方法における、燃料電池の出力と、各反応室への流体供給量と、各反応室からの流体排出量と、運転時間との関係を概念的なパターンで示す図である。 本発明に係る燃料電池の第４の運転方法における、燃料電池の出力と、各反応室への流体供給量と、各反応室からの流体排出量と、運転時間との関係を概念的なパターンで示す図である。

符号の説明

１１ 電解質
１２ 触媒反応層
１３ 拡散層
１４ 拡散電極
１５ ＭＥＡ
１６ 燃料または酸化剤の流路
１７ 流体供給板
１００ 燃料電池
１０１ アノード
１０２ カソード
１０３ 高分子電解質膜
１１０ 燃料供給板
１１１ 供給ポンプ
１１２ 反応室
１１３ 側壁
１１４ 燃料槽
１１５ 隔壁
１１６ 燃料流通溝
１１７ 排出ポンプ
１１８ 燃料入口
１１９ 燃料排出溝
１２０ 酸化剤供給板
１２１ 燃料出口
１２２ 酸化剤を含む流体を滞留させる流路

Claims (7)

1. アノード、前記アノードに燃料を含む流体を供給する燃料供給板、カソード、前記カソードに酸化剤を含む流体を供給する酸化剤供給板、および前記アノードと前記カソードとの間に介在する電解質からなる燃料電池であって、
   前記燃料供給板および前記酸化剤供給板より選ばれる少なくとも一方が、複数の反応室からなり、各反応室は、燃料または酸化剤を含む流体を前記反応室に供給するための入口と、燃料または酸化剤を含む流体を前記反応室から排出するための出口とを有し、
   前記入口および前記出口が、それぞれ流体を移送するためのポンプを有する燃料電池。
2. 前記複数の反応室が、それぞれ前記アノードまたは前記カソードと対向する開口を有するとともに、前記開口面に対して垂直な側壁で囲まれている請求項１記載の燃料電池。
3. 前記複数の反応室が、格子状、千鳥格子状またはハニカム状に配列されている請求項２記載の燃料電池。
4. 運転姿勢において、前記入口が前記出口よりも鉛直方向における上部に位置する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記入口が前記開口と対向する位置に配されており、前記出口が前記側壁に配されている請求項４記載の燃料電池。
6. 前記入口および前記出口が、それぞれ前記側壁の異なる壁面に配されている請求項４記載の燃料電池。
7. 前記ポンプを制御するための制御部をさらに有する請求項１記載の燃料電池。

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